02第一章-任务二-3D打印技术的原理

第一章3D打印技术概论任务二3D打印技术的原理学习目标：1.熟悉3D打印技术的原理，注意其与传统制造的区别；2.了解3D打印技术的工艺流程；3.了解3D打印技术典型的分类方式及各技术的基本特点；4.熟悉3D打印技术常见的成型材料。任务描述：通过老师讲解、查阅资料等熟悉3D打印技术的原理，熟悉其与传统加工制造技术的区别，了解3D打印技术的分类及技术特点，熟悉3D打印技术常见的成型材料，通过分组讨论，总结本任务学习内容。一、3D打印技术的原理（一）3D打印技术的基本原理3D打印技术就是利用三维CAD的数据，通过3D打印机，将一层层的材料堆积成实体原型。首先通过三维建模软件获得零件的CAD文件，并将该文件导出3D打印设备所能识别的STL格式。打印设备根据零件模型对其进行分层处理并离散，从而得到各层截面的二维轮廓信息，系统根据轮廓信息自动生成加工路径，由成型头在系统的控制下，逐点、逐线、逐面的对成型材料进行立体堆积，从而完成对三维坯件的制作，最后再对坯件进行必要的后处理，使零件在功能、尺寸、外观等方面满足设计需求。3D打印技术突破了传统的制造工艺，把传统的“减材”加工变为“增材”立体加工（如图），忽略了制件的外形复杂程度，完全真实的复制出三维造型。由于3D打印技术是把复杂的三维制造转化为一系列二维轮廓的叠加，因此它无需借助任何模具和工具，可直接生成具有任意复杂曲面的零部件或产品，从而极大地提高了生产效率和制造的柔性。3D打印技术变“减材”加工为“增材”（二）3D打印技术的工艺过程3D打印技术的工艺过程一般都包括三维模型的建立、3D打印前处理、实体叠加打印成型及后处理四个步骤。其工艺流程如图所示。1.产品三维模型的构建由于3D打印系统是由三维CAD模型直接驱动，因此首先要构建如图所示的三维CAD模型。该三维CAD模型可以利用计算机辅助设计软件（如Pro/E，UG，Solidworks，I-DEAS等）通过构造性立体几何表达法、边界表达法、参量表达法等方法直接构建，也可以将已有产品的二维图样进行转换而形成三维模型，或对产品实体进行激光扫描、CT断层扫描，得到点云数据，然后利用逆向工程的方法来构造三维模型。2.3D打印的前处理（1）三维模型的近似处理由于产品往往有一些不规则的自由曲面，加工前要对模型进行近似处理，以方便后续的数据处理工作。由于STL格式文件格式简单、实用，目前已经成为3D打印领域的准标准接口文件。它是用一系列的小三角形平面来逼近原来的模型，每个小三角形由3个顶点坐标和一个法向量来描述，三角形的大小可以根据精度要求进行选择。STL文件有二进制码和ASCII码两种输出形式，二进制码输出形式的文件所占的空间比ASCII码输出形式的小得多，而ASCII码输出形式可以进行阅读和检查。典型的CAD软件都带有转换和输出STL格式文件的功能。（2）三维模型的分层处理根据被加工模型的特征选择合适的加工方向，如图1-2-5所示，在成型高度方向上用一系列一定间隔的平面切割近似后的模型，以便提取截面的轮廓信息。间隔一般取0.05mm～0.5mm，常用0.2mm，目前最小分层厚度可达0.016mm。层厚越小，成型精度越高，但成型时间也越长，效率就越低，反之则成型精度降低，但效率提高。3.实体叠加成型根据切片处理的截面轮廓，在计算机控制下，相应的成型头（激光头或喷头）按各截面轮廓信息做扫描运动，在工作台上一层一层地将材料堆积在一起，各层材料通过交联或粘结固化后，最终得到成型件。4.成型制件的后处理从打印设备里取出成型件，进行打磨、抛光、涂覆，或放于高温炉中进行后处理烧结，以进一步提高原型产品强度。二、3D打印技术的特点（一）快速性通过STL格式文件，3D打印系统几乎可以与所有的CAD造型系统无缝连接，从CAD模型到完成原型制作通常只需几小时到几十小时，可实现产品开发的快速反馈。以快速原型为母模的快速模具技术，能够在几天内制作出所需材料的实际产品，而通过传统的钢制模具制作，至少需要几个月的时间。（二）高度集成化3D打印技术实现了设计与制造的一体化。在成型工艺中，计算机中的CAD模型数据通过接口软件转化为可以直接驱动3D打印设备的数控指令，3D打印设备根据数控指令完成原型件或零件的加工。（三）与工件复杂程度无关3D打印技术由于以离散堆积原理为基础，采用分层制造工艺，将复杂的三维实体离散成一系列层片加工和加工层片的叠加，大大简化了加工过程。它可以加工复杂的中空结构且不存在三维加工中刀具干涉的问题，理论上可以制造如图所示的具有任意复杂形状的原型件和零件。采用3D打印技术制造的工件（四）高度柔性3D打印系统是真正的数字化制造系统，仅需改变三维CAD模型，适当地调整和设置加工参数，即可完成不同类型的零件的加工制作，特别适合新产品开发或单件小批量生产。并且，3D打印技术在成型过程中无需专用的夹具或工具，成型过程具有极高的柔性，这是3D打印技术非常重要的一个技术特征。（五）自动化程度高3D打印是一种完全自动的成型过程，只需要在成型